Tại sao động cơ cần nhiều xi lanh

Tại sao động cơ cần nhiều xi lanh
Một động cơ tốt khi hoạt động phải êm ái, ít rung và ít gây ồn. Những đặc tính này cũng
giúp động cơ hoạt động ổn định hơn ở số vòng quay lớn, gia tăng tốc độ vòng quay tối đa
của động cơ, qua đó nâng cao công suất của động cơ.

Tính êm dịu của động cơ phụ thuộc nhiều vào hình dạng, kết cấu cơ bản của động cơ, số xy-lanh,
cách bố trí xy-lanh (thẳng hàng, chữ V hoặc đối xứng ngang) và góc bố trí (đối với động cơ chữ
V). Nếu một kết cấu ít ưu điểm (về mặt êm dịu) được lựa chọn sử dụng, thông thường là vì tính
nhỏ gọn hoặc vì lý do kinh tế, đối trọng hoặc trục cân bằng có thể được sử dụng để khử dao
động, nhưng mặc hạn chế của nó là làm tiêu hao mất một phần công suất động cơ.
Việc gia cố thân máy, trục khuỷu, v.v..có thể khử một phần nào đó sự rung động và tiếng ồn của
động cơ. Sau cùng, sử dụng các chi tiết chịu ma sát tốt có thể nâng cao hơn nữa khả năng vận
hành trơn tru và êm ái của động cơ.
Phân bổ lực
Đối với động cơ 4 kỳ, một xy-lanh cần 720 độ góc quay của trục khuỷu (2 vòng) để thực hiện
một chu trình. Nói cách khác, khi trục khuỷu quay 2 vòng thì chu trình cháy diễn ra một lần. Chỉ
có 1 kỳ sinh công (kỳ nổ) tạo ra công có ích, trong khi đó, kỳ nạp, kỳ thải, kỳ nén lại tiêu tốn
công, đặc biệt là kỳ nén. Do đó, động cơ một xy-lanh sinh ra công ở dạng xung tuần hoàn.
Muốn phân bổ lực kéo đồng đều, động cơ phải sử dụng một bánh đà nặng nhằm tận dụng quán
tính để giữ cho động cơ quay đều ở tốc độ không đổi. Và dĩ nhiên, bánh đà càng nặng thì lực
được phân bổ càng đều, nhưng nó cũng làm cho động cơ kém nhạy hơn, khó điều khiển hơn. Vì
vậy sự rung động của động cơ không thể được loại trừ hoàn toàn bằng một bánh đà lớn.
Đó cũng là lý do mà chúng ta cần các loại động cơ nhiều xy-lanh. Trong khi động cơ một xy-lanh,
mỗi một kỳ nổ ứng với hai vòng quay trục khuỷu; với động cơ 2 xy-lanh, một kỳ nổ chỉ ứng với
một vòng quay trục khuỷu; động cơ 3 xy-lanh một kỳ nổ chỉ ứng với 720độ/3 = 240 độ góc quay
của trục khuỷu; động cơ 4 xy-lanh cứ 180 độ góc quay trục khuỷu (1/4 chu kỳ) sẽ có một kỳ nổ…
Và chỉ với mỗi 60 độ góc quay của trục khuỷu, động cơ 12 xy-lanh đã có một kỳ nổ. Rõ ràng,
động cơ có số xy-lanh càng nhiều thì công suất sinh ra càng đều.
Điều này giải thích tại sao chúng ta vẫn ưu chuộng động cơ V12 hơn động cơ 6 xy-lanh bố trí
thẳng hàng, mặt dù cả hai loại này đều đạt đến độ cân bằng gần như hoàn hảo.
Nguyên nhân gây ra dao động

Trên thực tế, dao động không chỉ xảy ra theo phương thẳng đứng. Vì thanh truyền không chỉ
chuyển động lên xuống mà nó còn chuyển động sang trái và sang phải, nên dao động còn có thể
xảy ra theo phương ngang. Tuy nhiên, nếu đem so sánh với piston, khối lượng của thanh truyền
nhẹ hơn nhiều, vì vậy dao động theo phương ngang gây ra do sự di chuyển qua lại của thanh
truyền là nhỏ hơn nhiều so với dao động theo phương đứng gây ra bởi piston.
Đó là đối với động cơ một xy-lanh, còn động cơ nhiều xy-lanh thì còn rắc rối hơn nhiều so với
những gì mà chúng ta tưởng tượng.
Động cơ 2 xy-lanh thẳng hàng
Vì động cơ nổ một lần ứng với mỗi vòng quay (720/2 = 360 độ góc quay trục khuỷu), 2 piston
chuyển động hoàn toàn giống nhau về chiều lẫn vị trí. Điều này có nghĩa là dao động tổng cộng
có độ lớn gấp đôi dao động do một xy-lanh sinh ra. Phương của dao động chủ yếu là phương
chuyển động lên xuống của piston.
Đây là loại động cơ có cấu hình kém ổn định nhất, do đó chỉ có những loại xe mini rẻ nhất trước
đây mới sử dụng, ví dụ như Fiat 128, Fiat Cinquecento và Honda Today,...vv. Ngày nay, có lẽ
không còn mẫu xe sản xuất với số lượng lớn nào sử dụng loại động cơ này, ngay cả loại xe nhỏ
nhất của Nhật là K-cars. Mặc dù dung tích xy-lanh của K-cars chỉ có 660cc và trên lý thuyết là
thích hợp với cấu hình 2 xy-lanh, nhưng thực tế động cơ này vẫn có thiết kế 3 xy-lanh hoặc thậm
chí 4 xy-lanh để tránh vấn đề dao động của loại 2 xy-lanh.
Động cơ 3 xy-lanh thẳng hàng
Động cơ đốt cháy một lần ứng với mỗi 240 (độ) góc quay của trục khuỷu (720/3 = 240). Có vẻ
như bất kể trục khuỷu quay như thế nào, trọng tâm kết hợp của cả ba piston và thanh truyền sẽ
giữ nguyên ở một vị trí, do đó không sinh ra dao động. Sử dụng các phép tích toán học, chúng ta
cũng có thể nhận thấy không có lực sinh ra theo phương đứng cũng như theo phương ngang. Vậy
tại sao chúng ta vẫn nghe rằng động cơ 3 xy-lanh cần có trục cân bằng?
Trên thực tế, tính toán như vậy là sai vì các lực tác động lên ba điểm khác nhau trên trục khuỷu,
thay vì triệt tiêu lẫn nhau, chúng làm cho trục khuỷu dao động ở hai đầu, đầu nọ đến đầu kia.
Động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng
Như đã biết, một động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng cần phải có hai trục cân bằng quay ở vận tốc gấp
đôi vận tốc của trục khuỷu để giảm dao động. Khác rất nhiều so với động cơ 3 xy-lanh, động cơ 3
xy-lanh chỉ cần một trục cân bằng quay cùng vận tốc với trục khuỷu. Và dĩ nhiên, dao động do

động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng sinh ra cũng không giống với động cơ 3 xy-lanh.
Động cơ đối xứng ngang (Boxer)
Như đã thấy, bất kể trục khuỷu quay như thế nào, động cơ đối xứng ngang luôn có các cặp piston
ở các vị trí đối xứng, chuyển động cùng vận tốc và ngược hướng nhau, do đó tất cả các lực sinh
ra đều được triệt tiêu lẫn nhau. (Nếu không vì vấn đề giá thành và đòi hỏi về tính nhỏ gọn, thì
động cơ đối xứng ngang sẽ là sự lựa chọn tối ưu nhất). Ngược lại, với động cơ 4 xy-lanh thẳng
hàng, khi trục khuỷu quay một góc nào đó, piston ở gần điểm chết trên đi được một quãng
đường lớn hơn so với quãng đường mà piston gần điểm chết dưới đi được. Vì động lực theo
phương phương thẳng đứng được tính bằng quãng đường đi được của piston nhân cho khối lượng
piston và chia cho thời gian thực hiện quãng đường, chúng ta có thể thấy hai quãng đường là
khác nhau nên động lực cũng khác nhau, do đó dao động bị triệt tiêu hoàn toàn là điều không
thể.
Giải pháp hai trục cân bằng
Hành trình piston càng dài, piston và thanh truyền càng nặng thì dao động sinh ra bởi lực quán
tính càng lớn. Có điều, các nhà sản xuất vẫn ưa thích động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng vì ưu điểm
về giá thành cũng như kích thước gọn nhẹ của nó. Từ những năm 80, các kỹ sư ô tô đã nhận
thấy rằng các động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng có dung tích trên 2 lít sẽ hoạt động tốt hơn khi lắp
thêm hai trục cân bằng để triệt tiêu dao động. Mặc dù việc gia cố thân máy, sử dụng giá thủy lực
và piston có khối lượng nhẹ có thể khắc phục được nhược điểm trên, nhưng phát triển theo
hướng tiếp tục cải tiến đã cho ra đời nhiều kiểu động cơ có dung tích trên 2 lít sử dụng trục cân
bằng.
Trục cân bằng do một chuyên gia ô tô người Anh, ông Frederick Lanchester, phát minh vào đầu
thế kỷ 20. Mitsubishi đã sở hữu được bằng sáng chế và đưa vào sản xuất hàng loạt trong năm
1976 với chiếc Colt Celeste 2000. Sau đó Fiat cũng sử dụng nó cho sê-ri động cơ Lamda, bao
gồm cả Delta HF 1.6L và Croma, Lancia. Trong thời gian đó, Saab 9000 và Porsche 994 cũng đã
áp dụng phát minh này. Tất cả các động cơ sử dụng trục cân bằng này đều do Mitsubishi nhượng
quyền sản xuất.
Để khử dao động cần có một cặp trục cân bằng, được dẫn động từ động cơ, quay ngược chiều
nhau và với vận tốc gấp đôi vận tốc của trục khuỷu. Đối trọng trên trục cân bằng sẽ khử lực cấp
II, từ đó động cơ quay êm hơn.

Việc sử dụng hai trục cân bằng thay vì chỉ một trục lớn là do dao động của động cơ hầu hết theo
phương đứng. Hai trục quay ngược nhau có thể khử các lực ngang của nhau, do vậy lực theo
phương đứng còn lại sẽ có tác dụng khử dao động.
Nếu không có hai trục cân bằng, Porsche sẽ không thể chế tạo các động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng
dung tích 3L trang bị cho mẫu xe 944 S2 và 968, đây là loại động cơ 4 xy-lanh thẳng hàng lớn
nhất trong số các loại xe tân tiến hiện nay.